Цифровой фильтр Советский патент 1980 года по МПК G06F17/10 H03H17/00 

Изобретение относится к райиотехни- ке и может применяться при цифровой обработке сигналов. Известны цифровые фильтры (ЦФ), отличающиеся повышенным быстродействием за счет увеличения скорости работы умножителей на коэффициенты путем увеличения их количества при представлении коэффициентов в системе счисления, каждый разряд в которой может со держать значения О, +1, -1, и за счет вычисления всех возможных кратных входного сигнала f . Известны также комбинаторные струк туры ЦФ, отличающиеся от указанных алгоритмом обработки и имеющие различ ную скорость работы за счет распаралле ливания 2. Из известных ЦФ наиболее близким по технической сущности является фильт описаннный в Сз, фильтрующий последовательные двоичные отсчеты 2 сигнала, где 2. представлено в форме . .. i-.i в котором выходная величина у связана с 2 i функцией NЕР -i-i . где каждое Q является весовым коэффициентом, а . и содержащий N блоков хранения последовательных отсчетов zi сигнала, блок памяти для запоминания соответствующих величин S: , имеющий 2 позиций, адресуемых множеством , i i .уЗ yJi 7 7 7. t-, 1- Н 1 „уммирующиЧ блок для формирования проиавецений Si и для комбинирования произведений в вице суммы m ,. A--i средства, последовательно соединяющие .блоки хранения последовательных отсчетов сигнала- с каждым сигнальным множествомZ...Z,tae для выборки величины из блока памяти по адресам определяемым , мчо жеством, и передачи величины j на суммирующий блок. Алгоритм работы Цф имеет виц . r-t-i -S,. Л-iгде .L«i Цифровой фильтр содержит N блоко хранения последовательных отсчетов сиг нала, где Н определяется порядком фильтра и видом его передаточной- функции, блок памяти, блок формирования адреса, суммирующий блок, причем вход одного из блоков хранения последовател ных отсчетов сигнала является входом фильтра, выходы U блоков хранения последовательных отсчетов сигнала под- к входам блока формирования адреса, выход которого соединен с входом блока памяти, выход блока памяти подключен к входу суммирующего блока, выход которого является выходом фильт ра. При решении ряда технических задач возникает необходимость в построении ЦФ с перестраиваемыми параметрами путем изменения (перестройки) значений весовых коэффициентов. При этом изменять требуется нр все коэффициенты, а только часть из них. Но даже изменение части коэффициентов при построении фил ра по. схеме фильтра-прототипа ведет к изменению всего содержимого блока памяти, т. к. в нем хранятся числа, соста ленные из комбинаций коэффициентов, чт снижает скорость смены информации в блоке памяти, уменьшая этим скорость работы фильтра. Следовательно, устранить указанные недостатки можно путем уменьшения количества чисел, хранимых в блоке памяти фильтра. В фильтре-прототипе предложен способ уменьшения (в два раза), который сводится к тому, что каждый последовательный отсчет 2(, сигнала представляется в виде г(гГЧ1-2 - Т 7 5 где Z.l - инверсный код числа-, ii } -сдвиг числа на один разряд в сторону младших разрядов; -единица младшего разряда числа Zi . Однако, этим способом не исчерпываются все возмож- ности уменьшения количества чисел, хранимых в блоке памяти комбинаторного фильтра. Его структура не может учитывать следующих факторов; часть коэффициентов фильтра может быть кратной степени числа два, часть коэффициентов фильтра даже в процессе перестройки его параметров не подлежит изменению, часть коэффициентов фильтра в двоичном представлении может содержать ограниченное число единиц. Создание ЦФ, учитывающего перечисленные факторы, позволяет значительно сократить количество чисел, хранимых в блоке памяти фильтра. Особенно важная .задача создания такого фильтра возникает тогда, ког да ЦФ должен работать в адаптивной системе обработки сигналов, т. к. при этом даже незначительное сокращение количества чисел ведет к значительному сокращению объемов памяти в системе и увеличению скорости ее работы за счет увеличения скорости смены информации в блоке памяти фильтра и повышения этим скорости его работы, а в конечном итоге и системы в целом. Недостатком известного технического решения ЦФ является большое количество чисел, хранимых в блоке памяти, и низкая скорость. Цель изобретения - уменьшение объема оборудования и увеличение быстродействия. Указанная цель достигается тем, что ЦФ, Содержащий Н блоков хранения последовательных отсчетов сигнала, блок памяти, блок формирования адреса, суммирующий блок, причем выход блока формирования адреса соединен со входом блока памяти, вход одного из Ы блоков хранения последовательных отсчетов сигнала является входом фильтра, выход суммирующего блока является выходом фильтра, дополнительно содержит арифметико-логический блок, причем выходы К блоков хранения последовательных отсчетов сигнала, где К 4. J , подключены к входам блока формирования адреса, выходы (К - К ) блоков хранения последовательных отсчетов сигнала и выход блока памяти подключены ко входам арифметико-логического блока, выход которого подключен ко входу суммирующего блока. 5,7 На фиг. 1 приведена /структурная схема рекурсивного фильтра; на фиг. 2 схема нерекурсивного фильтра, :Цифровой рекурсивный фильтр содержи вхоа 1, блоки 2,3,4,5,6 хранений после- доватепьных отсчетов сигнала, блок 7 формирования адреса, блок 8 памяти, арифметико- югический блок 9, суммирующий блок 10, выход 11. Вход 1, являющийся входом фильтра, соединен с входом блока 4. Выход блока 2 подключен к входу блока 3 и к первому входу блока 7 формирования адреса второй вход подключен к выходу блока 3. Выход блока 7 формирования адреса соединен с входом блока 8 памя- ти. Выход блока 8 памяти и вторые выхс ды блоков 4,5,6 хранения последователь ных отсчетов сигнала подключены к входам арифметико-логического блока 9. Первый выход блока 4 соединен с входом блока 5; а первый выход блока 5 - со входом блока 6. Выход ари(|ялетнкологического блока. 9 подключен ко входу суммирующего блока IQ, выход которого соединен со входом блока 2 хранения последовательного отсчета сигнала. Выход 11 суммирующего блока 10 является выходом фильтра. Прежде чем рассмотреть работу ЦФ, изображенного на фиг. 1, запишем урав:нение, описывающее работу комбинатор ного ЦФ. ln-J, j. ti) г|л-ый выходной отсчет фильтра; A-1i2... m - разрядность последовательных отсчетов сигнала; -вес разряда последовательного отсчета сиг нала; Зд- Д-О& ( - разрядное число, хранимое в блоке памяти . фильтра; ,Q... N -количество блоков хранения последовательных отсчетов сигнала; i J - и весовой коэффициент -значение -го разряд Ч -го последователь ного отсчета сигнала, которое может быть О или 1. 56 Передаточная функция фильтра на фиг. 1 имеет вид u(.,4 1 , гдег г & е г 3,14 . . .; Cfj , О - весовые коэффициенты; и) круговая частота; Т - период дискретизации. Передаточной функции (3) соответствует разностное уравнение iV°oV- S «.l) (4) hjXmlli -ый выходной и входной отсчеты соответственно; 01; - i i-ый ве овой коэффициент; 01о 0f, Qlj -2; n-1 (l-i) входной.и выходной отсчеты соответственно; Xn-uj n-i. I (j „2)-ойВХОДНОЙ и выходной отсчеты соответственно. Запишем (4) с учетом значений весовых коэффициентов. n- h i -t -a °iV-l «h t.-a- (5) Для уравнения (5)11 , т, е. , к - 2, т. e.Vi .«Чи Н -К - 3, т. е. Xh vi-i Пй Уравнение (.2) для (5) можем записать 4 (. Значения слов Sj приведены в табл. 3. Уравнение (1) ,для (5) имеет вид. ... которое определяет алгоритм работы фильтра, изображенного на фиг. 1. ЦФ работает следующим образом. В t 5 блоках 2,3,4,5,6. хранения последовательных отсчетов сигнала записаны соответственно . -ч . Xyj- S памяти запнсаны (5 - разрядные слова Sj (табл. 1). Один период дискретизации или один цикл по обработке входного отсчета Х Y состоит из W тактов, где Ул - разрядность последовательных двоичных отсчетов сигнала. В первом такте ари4 и етикологический блок 9 вычисляет сумму ,n-a Полученная блоком 9 сумма добавляется к содержимому суммирующего блока 10, при этом в суммирующем блоке 10 деление на два полученной в нем суммы не происходит. 5 представляет собой 778 1ИСЛО S4 (габл. 1), выбранное из блока 8 памяти под воздействием на блок 7 ня адррса элемента ,.ft формирования .. t-aelij m . множества Далее содержимое блоков сдвигается на один разряд в сторону старших. Hq этом выполнение первого такта заканчивается. Второй такт выполняется следующим образом. EVIOK 7, анализируя элемент jW-l sjWH множества, формирует адрес .J( (2. для обращения к блоку 8. Из блока 8 памяти выбирается соответствующее Sj которое через арифметико-логический блок 9 добавляется к содержимому суммирующего блока 1О, где полученная сумма целится на два. В блоках 2-6 про исходит сдвиг чисел на один разряд в сторону старших. На этом выполнение второго такта заканчивается. Оставшиеся (vA-2) такта выполняются аналогично второму, в результате выполнения так тов в суммирующем блоке 1О получен вы хоаной отсчет Уд . В результате выполн ния всех описанных действий ЦФ находится в состоянии, когда на суммирующем блоке 10 получен выходной отсчет 5д , число ijv . находившееся -перец началом выполнения цикла в блоке 2, записалось в блок 3, а блок 2 содержит нулевую кодовую комбинацию. Аналогично число блока 5 записалось в блок 6, а число )v из блока 4 - в блок 5. Блок 4 содержит нулевую кодовую комбинацию. Выходной отсчет „ записьшается в блок 2, а в блок 4 принимается очередной входной отсчет. Этим обеспечивается подготовка фильтра к обработке поступившего входного отсчета. При использовании известного способа уменьшения количест ва чисел, хранимых в блоке памяги, обыэм памяти можно уменьшить в два раза (табл. 2), при этом передача чи- л на суммирующий блок должна выпол- няться следующим образом: если i. то на суммирующий блок поступает допо нительный код 5,: , если же У. - 1 то на суммирующий блок поступает прямой код SJ , а хранятся в блоке памяти только прямые коды 5,j . Описанную передачу чисел в предлагаемой структур фильтра должен выполнять арифметикологический блок. Сущность известного способа заключается в том, что каждый последовательный отсчет сигнала представляется в виде -Ог) -инверсный код числа , где ); -сдвиг числа на один разряд в сторону младших разрядов;-единица младшего разряда m - разрядного числа Х; Цифровой нерекурсивный фильтр содержит вход 1, блоки 2,3,4,5 хранения последовательных отсчетов сигнала, блок 6 формирования адреса, блок 7 памяти, арифметико-логический блок 8, суммирующий блок 9, выход 10. Вход 1, являющийся входом фильтра, соединён со входом блока 2, первый вы ход блока 2 - со входом блока 3. Выход блока 3 соединен со входом блока 4 и первым входом блока 6 формирования адреса. Выход блока 4 подключен ко входу блока 5 и второму входу блока 6. Вы- блока 6 формирования адреса соеди- нен со входом блока 7 памяти. Второй выхоа блока 2, выход блока 7 и выход блока 5 подключен ко входам арифметико- логического блока 8. Выход блока 8 подключен ко входу суммирующего блока 9, выход Ю которого является выходом фильтра. Передаточная функция фильтра, изображенного на фиг. 2, имеет вид H(z) %21 - 1, которой соответствует разностное уравнение . .) (6) где а - 3; а( +3. Уравнение (2) для (6) запишется r-« H- Vn%Уравнение (1) для (6) принимает вид 41 S У -у - & ч- n-i с «v , 4 которое определяет алгоритм работы фильтра, изображенного на фиг. 2. ЦФ работает следующим образом. ВЫ 4 блоках 2,3,4,5 хранения последовательных отсчетов сигнала записаны соответственно )й, i п-2 j п-а В блок 7 памяти записаны Q разрядные слова Sj .(табл. 3). Один период дискретизации или один цикл по обработке входного отсчёта yj состоит из VH тактов, где Уп - разрядность последовательных двоичных отсчетов сигнала. Первый такт заключается в вычислении арифметико-логическим блоком 8 суммы Xyj и добавлении ее к содержимому суммирующего блока 9. При 8ТОМ в суммирующем блоке 9 деление на дйа полученной суммы не происходит. является числом S (табл. 3), выбранным из блока 7 памяти под воздействием ва блок 6 формирования адреса элемента множества / 3 и переданным блоком 8 на вход блока 9 инверсным ко- дом. Далее содержимое блоков 2,3,4,5 сдвигается на один разряд в сторону старн ших, при этом в освободившиеся при сдвиге разряды блоков 3,4,5 записываются старшие разряды чисел, записанных в блоках 2,3,4 соответственно. В освободившийся при сдвиге младший разряд блока 2 записывается йуль. На этом выполнение первого такта заканчивается. Во втором такте блок 6 формирования адреса, анализируя элемент У ), rJ-fi множества, формирует адрес для обращения к блоку 7. Из блока 7 памяти выбирается соответствующее Sj которое через блок 8 добавляется к содержимому суммирующего блока 9, и полученная сум ма делится на два ., В блоках 2-5 происходит сдвиг чисел на один разряд в сторону старших. На этом выполнение, второго такта заканчивается. Оставшиеся (П1-2) такта выполняются аналогично второму. В результате выполнения п тактов в суммирующем блоке 9 получен выходной отсчет . В блок 2 принимается очередной последовательный входной отсчет сигнала. Этим обеспечивается подготовка к работе фильтра в очередном цикле. Применение вышеописанного способа позволяет сократить количество хранимых в блоке памяти чисел до двух (raGfl. 4). Использование ари4метико-логическо- го блока отличает предлагаемый ЦФ от известного тем, что уменьшено количество чисел, хранимых в блоке памяти, и время, необходимое для изменения этих чисел при перестройке параметров ЦФ. Эгим упрощено применение фильтра в адаптивных системах обработки сигналов, что расширяет сферу его использования. ;Если в приведенном примере рекурсивного ЦФ в блоке памяти фильтра-прототипа требуется хранить 32 или 16 чисел, .то в блоке памяти предлагаемого фильтра требуется хранить 4 или 2 числа. Если в приведенном примере нерекурсивного ЦФ в блоке памяти фильтра-лрото- типа требуется хранить 16 или 8 чисел. то в блоке памяти предлагаемого фильтра требуется хранить 4 или 2 числа. Перестройка параметров в фильтре-прототипе и предлагаемом фильтре выполняется изменением чисел, записанных в их блоках памяти, причем,изменяться должны все числа. Предлагаемый ЦФ содержит в блоке памяти меньшое количество чисел по сравнению с прототипом, поэтому изменение содержимого егоблока памяти выполняется за меньшее время, чем увеличивается скорость. Отсюда ясно, что преимущества предлагаемого фильтра наиболее очевидны при использовании в адаптивных системах обработки сигналов. 1 Значения $J (a2 Значения J TaSfi unaJ Значений j ношения $j TffSAUOitt

Формула изобретения

Цифровой фильтр, содержащий N блоков хранения последовательных отсчетов сигнала, блок памяти,, блок формирования aapecsj, суТДмирующий блок, причем выход блока формирования адреса соединен со вхоаом блока памяти, вход одного из Споков хранения последовательных отсче-

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3521041, кл. 235-156, 1971,

2.Патент США № 3993890, кл. 235-152, 1976.

3.Патент США № 3777130, кл. 235-152, 1973 4поототип). 995 ° сигнала является входом , йыхоц суммирующего блока является выходом фильтра, отличающийся тем, что, с целью сокращения оборудова5 ния и повышения быстродействия, он со- держит ари(} 4етико-логический блок, причем выходы К ( . Н ) блоков хранения последовательных отсчетов сигнала, подключены ко входам блока формироваfo ния адреса, выходы { N -К) блоков хранения последовательных отсчетов свгнала и выход блока памяти подключены ко входам арифметико-логического блока, выход которого подключен ко входу сум15 мирующего блока.